表面分析技术
表面分析技术在材料研究中的应用
表面分析技术在材料研究中的应用在材料研究领域中，表面分析技术是不可缺少的一项工具。
它可以揭示材料的表面形貌、化学成分、结构等相关信息，对于研究材料的性质、品质、功能等方面都有很大的帮助。
本文将从材料表面的性质入手，探讨表面分析技术在材料研究中的应用。
一、材料表面的性质材料表面是材料与外界交互的界面，通常是它与大气、水或其他材料接触的地方。
由于表面的物理、化学和结构特性不同于体积内部，表面会对材料的性质产生重要影响。
例如，材料的表面能会影响它们的接触、润湿和涂覆性，而化学成分和结构则决定了其吸附、反应和催化性能等。
二、表面分析技术的种类为了研究材料表面的性质，我们需要使用一系列表面分析技术。
根据不同的目的和研究对象，表面分析技术可以分为多种类型。
以下是其中几种主要的表面分析技术：1. 扫描电镜（SEM）扫描电镜是一种利用电子束扫描样品表面以获取图像的技术。
SEM对样品表面形貌的分析具有很高的分辨率，能够观察到微米和亚微米级别的表面结构。
此外，SEM还可用于分析样品的化学成分，通过扫描样品表面，能够发射出与物质本身成分相关的特征X射线，在能谱仪器上通过分析这些X射线，可以得到样品表面化学成分信息。
2. X射线衍射（XRD）X射线衍射是一种利用X射线衍射来研究材料内部结构和晶体结构的技术。
在表面分析中，XRD通常用于分析样品的晶体结构和晶体质量。
由于X射线是高频电磁波，具有很高的穿透力，能够透过很薄的材料层，对于表面分析来说具有很好的应用前景。
通过观察衍射光谱和图案，可以揭示出样品的晶体结构、晶格常数、应力及颗粒尺寸等信息。
3. X射线光电子能谱（XPS）X射线光电子能谱是利用X射线照射样品，激发材料表面中的电子，从而获得材料表面的化学成分、价态、电子态等信息。
通过测量电子能谱和发射电子的数量和能量分布，可以分析材料的表面化学组成情况，得到物质内部、表面和界面的相关信息。
4. 表面等离子体共振（SPR）表面等离子体共振是一种用于表面分析的实时检测技术，可以检测材料表面的结构和化学成分。
表面分析技术
表面分析技术表面分析技术是一项涉及材料和表面特性研究的重要技术手段。
通过对材料表面的分析和测试，可以了解材料的化学成分、结构形态以及物理性质等重要信息。
这些信息对于材料科学、化学工程以及各种工业领域的研究和应用具有重要的指导意义。
本文将介绍常见的表面分析技术及其应用，并探讨其在材料研究领域中的重要性。
一、X射线衍射（XRD）X射线衍射技术是一种分析晶体结构和晶体取向的重要手段。
通过照射材料表面的X射线，利用倒转的原理，可以得到材料中晶体的信息，如晶体晶胞参数、晶面取向和结晶度等。
X射线衍射技术广泛应用于金属材料、无机晶体、聚合物材料以及生物材料等领域的研究中。
二、扫描电子显微镜（SEM）扫描电子显微镜是一种通过扫描材料表面的电子束来获取表面形貌和成分信息的技术。
通过SEM技术可以观察到材料的微观形貌、表面粗糙度以及颗粒分布情况。
此外，SEM还可以结合能谱分析，获取材料的元素成分信息，对于材料表面的成分分析具有重要意义。
扫描电子显微镜的高分辨率、高灵敏度和高成像质量使其成为材料科学研究中不可或缺的工具。
三、原子力显微镜（AFM）原子力显微镜是一种通过探针在材料表面扫描获取高分辨率表面形貌和力学性质的技术。
与扫描电子显微镜类似，原子力显微镜可以获得纳米级别的表面形貌信息。
此外，通过原子力显微镜还可以研究材料的力学性质，如力曲线、硬度和弹性模量等。
原子力显微镜在纳米材料研究、表面重构以及生物医学领域的研究具有重要应用价值。
四、拉曼光谱（Raman）拉曼光谱是一种通过激光照射材料表面，并测量散射光强度的技术。
拉曼光谱的原理是根据材料分子振动产生的震动频率差异来获取材料的化学成分和物理性质信息。
通过拉曼光谱可以研究材料的晶体结构、官能团成分以及分子结构的变化等。
应用于纳米材料、生物医学和化学合成等领域的研究中。
五、表面增强拉曼光谱（SERS）表面增强拉曼光谱是一种通过将材料置于金属纳米颗粒表面，使得拉曼信号得到大幅增强的技术。
化学实验中的常见表面分析方法
化学实验中的常见表面分析方法在化学实验中，为了研究和分析物质的性质和组成，常常需要进行表面分析。
表面分析是指通过对物质表面的性质和组分进行研究，以了解其物理和化学特性。
本文将介绍一些在化学实验中常见的表面分析方法。
1. X射线光电子能谱（XPS）X射线光电子能谱是一种常见的表面分析技术，它可以用来研究材料的元素组成、化学状态以及电子能级结构。
该方法通过利用高能X射线照射样品，并测量样品表面发射的光电子的能谱来分析。
通过分析光电子能谱，可以确定元素的种类、含量以及氧化态等信息。
2. 扫描电子显微镜（SEM）扫描电子显微镜是一种常用的表面形貌分析工具，它能够通过电子束在样品表面的扫描来观察和记录样品的形貌和微观结构。
SEM可以提供高分辨率的显微镜图像，帮助研究者观察样品的微观形貌和表面结构，从而了解样品的表面形貌特征。
3. 傅里叶红外光谱（FTIR）傅里叶红外光谱是一种用来研究物质分子振动和化学键结构的技术。
该方法通过使用红外辐射照射样品，测量样品在红外区域的吸收光谱来进行分析。
通过不同波数处的峰值和谱带，可以确定样品中的化学基团和化学键类型，从而了解分子的结构和组成。
4. 原子力显微镜（AFM）原子力显微镜是一种用来研究样品表面形貌和微观结构的高分辨率显微镜。
它通过在样品表面扫描探针，测量探针与样品之间的相互作用力来生成和记录样品表面的形貌和结构图像。
AFM的分辨率可以达到亚纳米级别，能够观察到样品表面的原子和分子级别的细节。
5. 表面增强拉曼光谱（SERS）表面增强拉曼光谱是一种用来研究分子振动和化学键信息的技术。
它利用金属纳米颗粒或表面纳米结构的电磁增强效应，使样品的拉曼散射信号被放大，从而提高了拉曼光谱的灵敏度。
SERS可以用于检测极低浓度的分子，并提供有关分子结构和组成的信息。
6. 电化学阻抗谱（EIS）电化学阻抗谱是一种研究电极和界面电化学特性的技术。
通过在电位或频率范围内测量电极上的电荷传递和电荷分布的变化，可以获得电化学阻抗谱图像。
表面分析技术讲义
表面分析技术讲义绪论一、表面与表面科学1. 表面与界面的定义2.表面科学的三个组成部分表面科学主要由表面物理、表面化学和表面分析技术三个方面所组成，是当前材料科学的前沿。
3.表面科学发展的三个阶段（1）1947年以后(点接触二极管于1946年发明),人们开始认识到半导体表面的重要性，研究了干燥空气、湿空气、含臭氧空气等对锗表面的影响。
此阶段证实了表面态的存在，但对它的来源仍不清楚。
（2）1957年前后，超高真空技术发展起来，已可以获得10-9Torr （1Torr=133.332 Pa）的真空度。
通过解理、离子轰击、场致蒸发等方法可以获得一个清洁表面。
人们注意力集中在清洁表面的原子排列，发现在表面原子存在重构或驰豫，并通过物理方法测量了表面的光、机、磁等特性，发现与体性质有明显的区别。
此阶段仍处于唯象阶段。
（3）1968年Harris发现Auger电子能谱（AES）可以用来确定表面原子的化学态和成分。
随后光电子能谱（XPS）、二次离子质谱（SIMS）等表面分析技术的相继出现，使人们可以了解表面几十个原子范围内和微区（1 m或更小）的成分和它们的化学态。
60年代末期以来，随着计算机技术、电子测量技术和超高真空技术的发展，表面科学也以极其迅猛的速度发展。
二、表面科学研究领域1．表面科学研究的领域表面科学研究表面和与表面有关的过程，包括宏观的和微观的。
近几十年来表面科学从原子水平来认识和说明表面原子的化学、几何排列、运动状态、电子态等性质及其与表面宏观性质的联系，推动了基础研究和新技术的发展。
表面科学是近代研究的重要领域，它有许多技术应用。
例如：①小于1 m的薄膜（半导体、绝缘体和金属膜等），具有复杂的图案和结构，要求高纯和精确掺杂。
②膜的内部和界面问题。
通过离子溅射逐层剥离变成表面问题，或在薄膜和界面形成过程中作为表面问题加以研究。
③器件小型化带来的表面问题。
④新型微波器件和集成光学器件中的超晶格技术的超晶格量子现象及表面问题。
表界面分析(XPS)
2
与电负性的关系： 随着取代基电负性增大，其化学位移正向增大。 三氟乙酸乙酯 电负性：F>O>C>H 4个碳元素所处化学环境不同
化学位移规律： 与元素价态的关系：当元素的价态增加，电子受原子核的库伦作用增加，结合能增加；当外层电子密度减少时，屏蔽作用将减弱，内层电子的结合能增加；反之则结合能将减少。
电子能谱常用激发源
激发源 电子能谱仪通常采用的激发源有三种：X射线源、真空紫外灯和电子枪。商品谱仪中将这些激发源组装在同一个样品室中，成为一个多种功能的综合能谱仪。
Ｘ射线激发源 XPS中最常用的X射线源主要由灯丝、栅极和阳极靶构成。
X射线源的主要指标是强度和线宽，一般采用K线，因为它是X射线发射谱中强度最大的。在X射线光电子能谱中最重要的两个X射线源是Mg和Al的特征K射线.
光电过程中，双电子跃迁过程属于禁阻跃迁，其几率远小于单电子跃迁几率。XPS是单电子跃迁过程，因此可准确测量其结合能。
XPS电子的结合能:
结合能是指在某一元素的原子结构中某一轨道电子和原子核结合的能量。结合能与元素种类以及所处的原子轨道有关，能量是量子化的。结合能反映了原子结构中轨道电子的信息。
对于气态分子，结合能就等于某个轨道的电离能，而对于固态中的元素，结合能还需要进行仪器功函的修正。
仪器的主要性能指标 信号强度S：以扣除背底后谱峰所包围的面积计算，是定量分析的基础； 结合能坐标的线性关系：通常用Au4f7/2、Cu 2p3/2、Ag 3d5/2三个轨道的结合能进行标定，建立能量坐标上谱峰位置和一定元素特定轨道结合能Eb的对应，定性分析基础； 能量分辨率：以扣除本底后全峰最大半高宽定义，直接影响元素化学态的准确测定。
干扰小，定性分析标示性强；
五、XPS优点：
检测检验的表面分析技术
检测检验的表面分析技术表面分析技术是一种对固体表面进行分析、检测、确定其化学成分、结构和形貌的方法。
随着科技的发展和产业的不断发展，表面分析技术逐渐得到了广泛的应用，成为解决工业生产过程中表面质量问题的重要手段之一。
在工业生产中，表面质量是非常重要的。
各种产品在生产流程中，都需要经过各种表面加工工艺，比如精加工、镀层处理、喷涂、硬化等等。
这些加工工艺的质量，直接影响着产品外观的美观度、功能性能的稳定性和产品寿命的长短。
因此，选择一种准确可靠的表面分析技术来确保产品表面质量，对于提高产品质量和市场竞争力至关重要。
其中，检测检验的表面分析技术成为重要的质量保障标准之一。
它利用各种化学、物理、光学等技术手段，对产品表面进行实时分析，以便及时发现产品表面缺陷、异物、污染物等问题，从而及时采取相应措施，保证产品的表面质量。
常见的表面分析技术有哪些呢？首先是电子显微镜技术。
电子显微镜技术以其高分辨率、高灵敏度和非常适合分析微小颗粒的优点，被广泛应用于表面分析领域。
它可以分析表面的形貌、微观结构，同时还可以准确定位污染物，进行表面成分分析等工作。
其次是X射线衍射技术。
X射线衍射技术被广泛应用于材料检测和分析领域。
由于不同材料具有不同的晶格结构，所以X射线通过物质后可以得到不同的衍射图谱，通过对衍射图谱的分析可以确定材料的成分、晶体结构等信息。
还有光学显微镜技术。
光学显微镜技术可以对样品进行光学图像的收集和分析，并生成具有高分辨率、高灵敏度的图像。
同时，还可以透过镜头对表面进行更为深入的观察和分析，以便更加准确地确定表面问题的位置和范围。
此外，还有拉曼光谱技术、原子力显微镜技术等等。
这些表面分析技术不仅具有广泛的应用领域，而且在实时性、准确性、可靠性等方面也有很大优势。
为什么检测检验的表面分析技术如此重要呢？首先，表面分析技术可以及时发现问题。
当出现产品表面问题的时候，通过表面分析技术的手段可以及时发现问题并找到问题的位置和范围，从而及时采取相应措施，避免问题扩大化。
材料现代表面分析技术常用方法及各自的用途
一、材料现代表面分析技术常用方法及各自的用途表面分析与测试是以获得固体表面（包括薄膜、涂层）成分、组织、结构及表面电子态等信息为目的的试验技术与方法。
基于电磁辐射和运动粒子束（或场）与物质相互作用的各种性质而建立起来的分析方法构成了现代表面分析方法的主要部分，大致可分为衍射分析、电子显微分析、扫描探针分析、电子能谱分析、光谱分析及粒子质谱分析等几类。
1 分类表面分析方法是用一个探束(光子或原子、电子、离子等)或探针(机械加电场)去探测样品表面并在两者相互作用时，从样品表面发射及散射电子、离子、中性粒子(原子或分子)与光子等，检测这些微粒(电子、离子、光子或中性粒子等)的能量、质荷比、束流强度等，就可以得到样品表面的形貌、原子结构(即排列)、化学组成、价态和电子态(即电子结构)等信息。
（1）表面“形貌”分析指“宏观”几何外形分析。
主要应用电子、离子显微镜进行观察分析，当显微镜的分辨率达到原子级时，可观察到原子排列，这时“形貌”分析和结构分析之间就没有明确的分界。
有扫描电子显微镜、离子诱导扫描电子显微镜、场离子显微镜、扫描隧道显微镜、原子力显微镜等。
（2）表面成分分析包括表面元素组成及元素在表面与沿纵向深度分布、表面元素的化学态。
用于表面成分分析的方法主要：有电子探针X射线显微分析、X射线光电子能谱、俄歇电子能谱、电子探针、二次离子质谱、离子散射谱等。
（3）表面结构分析研究表面晶体原子排列、晶体大小、晶体取向、结晶对称性以及原子在晶胞中位置等晶体结构信息。
主要采用的衍射方法有X射线衍射、电子衍射、中子衍射等。
（4）表面电子态分析主要是对表面原子或吸附粒子的吸附能、振动状态以及他们在表面的扩散运动等能量或势态的分析。
主要有紫外光电子谱、X射线光电子能谱等。
2 主要几种分析方法的用途分析方法名称主要用途透射电子显微镜TEM 形貌分析、晶格结构分析、成分分析X射线光电子能谱表面组分分析、化学态分析原子力显微镜AFM 表面形貌与结构分析、表面原子间力和表面力学性质的测定扫描电子显微镜SEM 表面形貌与结构二、扫描电子显微镜SEM工作原理、适用范围及特点1扫描电子显微镜SEM的基本原理：扫描电子显微镜的成像原理是利用聚焦的电子束在样品表面扫描时激发出来的各种物理信号调制成像。
xps分析原理
xps分析原理
XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) 是一种表面分析技术，通过测量材料表面的电子能谱来分析材料的组成和化学状态。
这种技术利用X射线照射样品表面，使样品表面的原子发生光电子发射现象。
XPS的原理是基于电子的波粒二象性和能量守恒定律。
当X 射线照射样品表面时，X射线会与样品表面的原子发生作用，使得原子的内层电子被激发出来。
这些被激发出的电子称为光电子。
光电子的能量与原子的电离能之间存在着特定的关系。
根据能量守恒定律，光电子的能量等于入射X射线的能量减去电子的束缚能。
通过测量光电子的能谱，即不同能量的光电子的强度分布，可以确定样品中不同元素的化学状态和含量。
XPS设备通常由X射线源、分析室和能量分辨器组成。
X射线源产生高能量的X射线，以激发样品表面的原子。
分析室内设置一个光学系统，将光电子引导入能量分辨器。
能量分辨器根据光电子的能量进行分辨和测量。
最终，根据光电子能谱的特征，可以得到样品表面组成的信息。
XPS技术广泛应用于材料科学、化学、表面物理等领域。
它可以分析材料表面化学组成、测量原子间的化学键合、检测元素的氧化态等。
同时，XPS还具备高分辨率、非破坏性等特点，可以对微小尺寸、薄膜等样品进行准确分析。
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固体表面物理化学
电子与表面相互作用
Ag
538 2 0.41 aE E 5A
o
Fig. 3.4
2018/12/4
Source：华中一
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固体表面物理化学
离子与固体表面作用
1. 弹性散射，离子本身不损失能量，前散射和背散射； 2. 非弹性散射，离子损失能量，前散射和背散射； 3. 离子注入，钻入样品内； 4. 轰击样品，产生表面剥离； 5. 俘获、再释和溅射脱附。
2018/12/4
Source：高本辉，崔素言
Source：华中一
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固体表面物理化学
电子与表面相互作用
电子自由程：电子与晶体中的原子核产生两次连续碰撞之间所走过的 平均路程称为电子自由程，。 电子自由程与电子的本身能量有很大关系，如图 3.4 。在 30 ～ 100 eV 以内，其值达到最小，约为0.1 ～ 0.8 nm = 1 ～ 8 Å，即大约三个原子 层左右。LEED就是利用这个能量段来工作的。对于实际的电子平均自由程 ，不但与电子自身能量有关，还与材料有关，Seah等人总结了大量的数据 ，得到经验计算公式如下：
发射；
3. 表面电离：当气体分子撞击灼热表面时，一部分以分
子或原子状态飞离表面，另一部分以正负离子的形式 飞离，这叫表面电离。
3. 光衍射；
4. 光激发，产生光电子； 5. 光诱导表面分子脱附和反应。
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固体表面物理化学
中性粒子与固体表面作用
1. 粒子弹性碰撞； 2. 粒子非弹性碰撞； 3. 粒子表面吸附； 4. 粒子18/12/4
2. D. Briggs and M. P. Seah, Practical Surface Analysis,
John Wiley and Sons, Inc., 1983.
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固体表面物理化学
表面检测的技术要求
灵敏的检测技术，因为一般表面原子占整个晶体的比例为 10 － 7 左右，几乎所有的检测技术要用到信号放大器及倍增 管，以及光子或电子计数器； 检测的技术是表面灵敏的，因为要研究表面的理化性能； 要检测信号，必须要有信号载体，我们称这种信号载体为 探针； 样品表面可控制的，即结构和化学组成等可以控制。
6. 断裂表面键，诱导脱附。
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固体表面物理化学
电子与表面相互作用
Fig. 3. 2
Fig. 3. 3
I.
弹性散射，电子本身不损失能量；
II. 非弹性散射，振动吸收；价带跃迁； III. 非弹性散射，Auger电子； IV. 二次电子和特征X－射线。
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固体表面物理化学
场与固体表面作用
探针诱导表面电子发射，主要是以不同的形式给固体内的电子以能 量，使电子克服表面的能垒而逸出。根据肖特基理论，外加电场可以降 低能垒，有助电子发射。 在强电场作用下，因存在量子力学的隧道效应，在固体不加热的情 况下也能出现显著的电子冷发射，这称为“场致电子发射”。
固体表面物理化学
表面分析技术概况
2018/12/4
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固体表面物理化学
主要参考书
1. D. P. Woodruff and T. A. Delchar, Modern Techniques of Surface Science, Cambridge, 1986.
1. 任何温度下都能产生场致发射电子的各能级，电子可以“透过”
能垒发射； 2. 在温度不为零的情况下产生场致发射电子的能级，称为热场致发
射。发射随温度增高而增强；
3. 热发射按肖特基效应增长的能级，即电场使能垒降低； 4. E＝0时产生热发射的各能级。该能级的电子在高温弱电场下“爬
越”能垒发射。
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2018/12/4
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固体表面物理化学
光子与固体表面作用
当光子能量小于1兆电子伏特的情况下，光对物质的 作用主要是光电效应和康普顿效应：当光子将能量全部交 给一个电子，使其脱离原子而运动，这是光电效应；光子 与电子产生碰撞，将一部分能量交给电子而散射，碰撞射 出的电子称为康普顿电子，这就是康普顿效应。 光子与表面作用，有如下过程： 1. 光反射； 2. 光吸收；
固体表面物理化学
电场与电子能级
Fig. 3.5
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Source：高本辉，崔素言
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固体表面物理化学
热与固体表面作用
高温度的表面，会发射正负离子：
1. 金属本身原子的发射：当接近熔点时，不但有原子蒸
发，还有离子蒸发；
2. 金属表面杂质：如碱金属等，在高温下会以离子形式
场
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固体表面物理化学
电子与表面相互作用
1. 弹性散射，电子本身不损失能量； 2. 非弹性散射，电子传递或吸收样品能量； 3. 注入，钻入样品内； 4. 衍射，由于其波长与样品晶格常数接近，从而满足布 拉格方程或劳埃关系，产生衍射花样；
5. 轰击样品，产生新的二次电子和X－射线；
538 2 0.41 aE 对于纯元素： E 2170 对于无机化合物： 0.72 aE 2 E 49 对于有机化合物： 0.11 E 2 E
。的单位为nm。
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其中，a为单原子层厚度（nm），E为以费米能级为零点的电子能量（eV）
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固体表面物理化学
表面分子技术概况
作为信号载体的探针，基本包括：电子，离子，光子和中性粒子，此外还 有热和场，参见图3.1。
以探针接触表面时，必然会发生探针与表面的相互作用。
电子
离子
中性粒子
固体材料
光子
热
Fig. 3. 1 2018/12/4